ECOFYSIOLOGIE: WAT HET BESTUDEERT EN TOEPASSINGEN BIJ DIEREN EN PLANTEN - BIOLOGIE - 2025

De ecofisiología is de tak van de ecologie die de functionele respons van organismen bestudeert om zich aan te passen aan veranderingen in het milieu. Elk levend wezen moet zich aanpassen aan zijn omgeving om te kunnen overleven en deze aanpassing is zowel structureel als functioneel.

Deze discipline staat ook bekend als fysiologische ecologie of omgevingsfysiologie en genereert zowel basiskennis als toegepaste kennis. Het is dus mogelijk om de relatie te kennen tussen de fysiologie van een organisme en veranderingen in de omgeving.

Ecofysiologische experimenten. Bron: Rasbak

Evenzo biedt ecofysiologie informatie op het gebied van plantaardige en dierlijke productie om voedsel te genereren. Studies van de ecofysiologie van planten die tolerant zijn voor extreme omgevingsomstandigheden zijn bijvoorbeeld nuttig geweest bij genetische verbetering.

Evenzo maken ecofysiologische studies het mogelijk om vast te stellen welke de meest geschikte omgevingsomstandigheden zijn om een ​​grotere dierproductiviteit te bereiken. Aldus kunnen variaties in omgevingsfactoren worden vastgesteld om de dieren in de productie-eenheden comfort te bieden.

Wat bestudeert ecofysiologie?

Ecofysiologie is een discipline waar fysiologie en ecologie samenkomen. Fysiologie, de wetenschap die het functioneren van levende wezens en ecologie bestudeert, behandelt de relaties tussen levende wezens en hun omgeving.

In die zin bestudeert ecofysiologie de dynamische relatie tussen de veranderende omgeving en de aanpassingen van het metabolisme van planten of dieren aan deze veranderingen.

- Ecologische experimenten

Om haar doel te bereiken, past ecofysiologie zowel beschrijvend onderzoek als de experimentele methode toe. Hiervoor identificeert het de fysisch-chemische factoren die in de omgeving werken en bepaalt het hun effect op het lichaam.

Deze factoren kunnen middelen zijn die het organisme gebruikt om te overleven of omstandigheden die het functioneren beïnvloeden. Vervolgens wordt de fysiologische reactie van het levende organisme op de variaties van genoemde factor vastgesteld.

Metabole systemen betrokken

Het is noodzakelijk om de organische en functionele systemen te identificeren die betrokken zijn bij de adaptieve reactie van het organisme op de verandering van een bepaalde factor. Als er bijvoorbeeld temperatuurveranderingen zijn, is er een reactie van het thermoregulatiesysteem van het individu.

Experimenteel ontwerp

Ecofysiologie gebruikt het ontwerp van experimenten om de fysiologische reactie van het organisme op veranderingen in een factor vast te stellen. Een voorbeeld hiervan is het onderwerpen van individuen van een plantensoort aan verschillende zoutconcentraties in het substraat.

- Soorten omgevingsveranderingen

Zodra de te bestuderen factoren zijn gedefinieerd, is het noodzakelijk om de veranderingen die optreden in de omgeving en hun tijdelijke aard te identificeren, waarbij drie typen worden gedefinieerd:

Cyclische veranderingen

Deze veranderingen komen periodiek voor, zoals de afwisseling van de klimatologische seizoenen of dag en nacht. Geconfronteerd met deze, heeft het levende wezen een cyclische werking ontwikkeld, volgens het ritme van veranderingen in de omgeving.

Dag- en nachtcyclus. Bron: Caliver

Bijvoorbeeld het vallen van de bladeren in het droge seizoen om transpiratie door gebrek aan water te verminderen. In het geval van dieren zijn er ook aanpassingen aan deze cyclische veranderingen; bijvoorbeeld de verandering van verenkleed van bepaalde vogels.

De sneeuwhoen (Lagopus muta) van de toendra heeft seizoensgebonden homochromie en presenteert een wit winterkleed, terwijl het in de lente verandert in donkere en bonte tinten. Zo wordt hun camouflage aangepast aan het uniforme wit van de sneeuw en vervolgens aan de donkere tonen van de omgeving gedurende de rest van het jaar.

Een andere aanpassing van dieren aan cyclische veranderingen is de winterslaap van beren en andere soorten in de winter. Dit omvat veranderingen in de stofwisseling, waaronder afnemende lichaamsfuncties, zoals temperatuur en hartslag.

Willekeurige veranderingen

Dit soort veranderingen vinden willekeurig plaats, zonder een vastgestelde regelmaat. Bijvoorbeeld de aardverschuiving van een berghelling, een olieramp of de komst van een nieuw roofdier of ziekteverwekker.

Dit soort veranderingen vormen een groter risico voor de soort, omdat ze drastisch optreden, waarbij de respons van de organismen afhangt van de plasticiteit in de reeds bestaande functies.

Richtingveranderingen

Het zijn veranderingen in de omgeving die opzettelijk door mensen worden veroorzaakt voor bepaalde doeleinden. Een voorbeeld hiervan is de ontbossing van een bos om een ​​weiland aan te leggen of de tussenkomst van een wetland om rijst te verbouwen.

- Algemene postulaten

Uitgaande van de accumulatie van experimenteel en observationeel bewijs in de natuurlijke omgeving, probeert ecofysiologie algemene postulaten te definiëren. Dit zijn algemene principes die voortkomen uit de regelmaat van bepaalde fysiologische reacties op veranderingen in de omgeving.

Liebigs wet van het minimum

Sprengel (1828) stelde dat de bepalende factor in de groei van een organisme de meest schaarse in het milieu is. Later werd dit principe gepopulariseerd door Liebig (1840), en staat bekend als de Wet van het Minimum of de Wet van Liebig.

Bartholomew (1958) paste dit principe toe op de verspreiding van soorten en wees erop dat het wordt bepaald door de meest beperkende omgevingsfactor.

Shelford's Law of Tolerance

In 1913 verklaarde Victor Shelford dat een bepaalde soort bestaat in een bepaald bereik van variatie voor elke omgevingsfactor en hun interacties. Dit staat bekend als tolerantiegrenzen, waarbuiten de soort niet overleeft.

Shelford's Law of Tolerance. Bron: http://ecologiaambiental.wikispaces.com/

Dit principe definieert dat in de amplitude van variatie van een bepaalde omgevingsfactor er drie mogelijke toestanden zijn voor het organisme. Deze toestanden zijn optimaal, fysiologische stress en intolerantie.

In die zin zullen in het optimale bereik van de factor de populaties van de soort overvloedig zijn. Bij het verlaten van het optimale komt men in een stresszone waar populaties afnemen en buiten de tolerantielimiet verdwijnt de soort.

- Digitale technologie en ecofysiologie

Zoals in alle wetenschap zijn ecofysiologische studies verbeterd door de ontwikkeling van nieuwe technologieën. Vanwege het experimentele karakter heeft vooral deze discipline de voorkeur gekregen van de ontwikkeling van digitale technologie.

Tegenwoordig is er een diversiteit aan draagbare elektronische apparaten waarmee omgevingsfactoren in het veld kunnen worden gemeten. Hiertoe behoren onder meer zonnestralingsmeters, temperatuur, relatieve vochtigheid, bladoppervlak.

Voorbeelden van toepassingen bij dieren

- Effect van temperatuur op de productiviteit van landbouwhuisdieren

Een zeer relevant vakgebied is de ecofysiologie die wordt toegepast op de dierlijke productie, die de reactie van fokdieren op de variatie van omgevingsfactoren probeert te begrijpen. Een van deze factoren is de temperatuur, rekening houdend met de huidige trend van stijgende gemiddelde temperatuur wereldwijd.

Homeothermie

De overgrote meerderheid van de fokdieren is homeotherm, dat wil zeggen dat ze ondanks variaties in de omgeving een stabiele interne temperatuur behouden. Dit wordt bereikt door de investering van chemische energie om stijgingen of dalingen van de buitentemperatuur te compenseren.

Dit externe temperatuurcompensatieproces wordt bereikt door middel van thermoregulatie, waarbij de hypothalamus, het ademhalingssysteem en de huid betrokken zijn.

Legkippen

Het tijdstip waarop een leghen wordt gevoerd, blijkt belangrijk te zijn voor de productiviteit. In dit geval heeft het te maken met het assimilatievermogen van het voedsel als functie van hittestress.

Legkippen. Bron: Peloy (Allan HM)

Als voer op de heetste uren van de dag wordt verstrekt, neemt de hen het minder op en neemt de productie af. Bijgevolg impliceert de stijging van de omgevingstemperatuur een afname van de productiviteit van scharrelkippen.

Vee

De temperatuurstijging dwingt de dieren om fysiologische mechanismen van thermoregulatie te activeren. Dit omvat een investering van energie die wordt afgetrokken van gewichtstoename of melkproductie.

Aan de andere kant, als de temperatuur stijgt, variëren de dieren hun voedingsprioriteiten. In deze gevallen neemt de opname van water toe en neemt de consumptie van droge stof af, met als gevolg gewichtsverlies.

- Vervuiling en kikkers

Ecofysiologische studies maken het mogelijk om de fysiologie van diersoorten in verband te brengen met hun omgeving en de mogelijke negatieve effecten van vervuiling vast te stellen. Een voorbeeld hiervan is de huidige staat van bedreiging waaraan kikkers en padden worden blootgesteld.

Kikker (Atelopus zeteki) gevoelig voor vervuiling. Bron: Brian Gratwicke

Ongeveer de helft van de 6.500 bekende soorten amfibieën wordt met uitsterven bedreigd. Deze dieren zijn erg gevoelig voor veranderingen in temperatuur, vochtigheid of milieuverontreinigingen.

De ademhaling en circulatie van amfibieën

De fysiologie van de ademhaling van amfibieën is heel eigenaardig, omdat ze zowel door de longen als door de huid ademen. Als ze uit het water zijn, gebruiken ze hun longen en in het water ademen ze door hun huid, die doorlaatbaar is voor O2, CO2 en water.

Gevolg

De vorm van ademhaling maakt deze dieren vatbaar voor opname van verontreinigende stoffen uit zowel lucht als water. Aan de andere kant verzwakken ze door de lage zuurstofconcentratie in het water omdat ze het niet goed opnemen.

Onder deze omstandigheden kunnen ze doodgaan of zwak worden en vatbaar zijn voor aanvallen door pathogene schimmels en bacteriën. Een van de grootste bedreigingen is de pathogene schimmel Batrachochytrium dendrobatidis, die de stroom van elektrolyten in de huid remt.

Voorbeelden van toepassingen in planten

- Ecofysiologie van planten

Door de opwarming van de aarde zullen in sommige gebieden bepaalde gewassen worden geproduceerd vanwege de tolerantiewet. Dat wil zeggen dat factoren zoals de beschikbaarheid van water buiten het tolerantiebereik van de soort vallen.

Xerofyten. Bron: Tomas Castelazo

Soorten in droge zones hebben echter strategieën ontwikkeld om zich aan te passen aan het watertekort. In die zin biedt onderzoek in de ecofysiologie van planten in droge zones mogelijke wegen voor genetische verbetering van planten.

Osmolytes

Een van deze strategieën is de modificatie van genexpressie om eiwitten te produceren die helpen bij het tolereren van watertekorten. Onder deze eiwitten bevinden zich osmolieten die cellen helpen hun turgor te behouden, zelfs met weinig water.

Kennis van deze eiwitten en hun metabolisme kan door genetische manipulatie worden gebruikt om gewassen te verbeteren.

- Ecofysiologie van halofiele planten

Een van de problemen waarmee de landbouw wordt geconfronteerd, is het zoutgehalte van bodems vanwege de concentratie van zouten die door irrigatiewater worden toegevoegd. Naarmate meer bodems verzilt, is er minder akkerland beschikbaar voor voedselproductie.

Halofiele planten

Er zijn echter plantensoorten die zijn aangepast om te overleven in omstandigheden met een hoge zoutconcentratie in de bodem. Dit zijn de zogenaamde halofytische planten (Halos = zout; fyto = plant).

Deze soorten hebben een reeks morfologische en fysiologische aanpassingen ontwikkeld als mechanismen om zoutopname te voorkomen, te immobiliseren of uit te scheiden.

Halofytische planten als voedsel

Kennis van de ecofysiologie van deze planten dient als basis voor het ontwikkelen van landbouwsystemen en het gebruik ervan als voedselbron. Op deze manier kunnen halofytische soorten die op verzilte landbouwgronden worden gekweekt, worden gebruikt als voer voor vee.

Referenties

1. Ariasa, RA, Maderb, TL en Escobara, PC (2008). Klimatologische factoren die de productieve prestatie van vlees- en melkvee beïnvloeden. Arch. Med. Vet.
2. Blaustein, AR, Wake, DB en Sousa, WP (1994). Amfibieën nemen af: beoordeling van stabiliteit, persistentie en vatbaarheid van populaties voor lokale en wereldwijde uitstervingen. Conserveringsbiologie.
3. Calow, P. (Ed.) (1998). De encyclopedie van ecologie en milieubeheer.
4. Hawkesford, MJ en De Kok, LJ (2007). Plantenecofysiologie (deel 6). Zwavel in planten. Een ecologisch perspectief.
5. Lüttge, U. en Scarano, FR (2004). Ecofysiologie. Brazilië Magazine. Bot.
6. Pereyra-Cardozo, M. en Quiriban, A. (2014). Eiwitten die bestand zijn tegen waterstress in planten. SEMIÁRIDA, Journal of the Faculty of Agronomy UNLPam.
7. Purves, WK, Sadava, D., Orians, GH en Heller, HC (2001). Leven. De wetenschap van biologie.
8. Raven, P., Evert, RF en Eichhorn, SE (1999). Biologie van planten.